【知识讲解】 Linux虚拟地址空间认识
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前言
在Linux操作系统中，认识虚拟地址空间是认识Linux内存管理非常重要的一部分，接下来来跟随小编的视角来看看吧。
let's go!!!!!!!!
Part1. 虚拟地址空间基础
一个进程对应一份虚拟地址空间。
• 32位机器：虚拟地址总空间 2^{32}，大小4GB。
◦ 用户空间：0~3G；内核空间：3G~4G。
◦ 注意：内核空间，本质也是拿用户空间的虚拟地址去访问。
• 64位机器：拥有巨大的虚拟地址范围。
对于一个变量：
1. 变量拥有物理地址；同时，在所属进程的虚拟地址空间内，拥有虚拟地址。
2. 每个进程维护一张页表：虚拟地址 ↔ 物理地址，一一映射。
3. 小端机器取变量地址：取4字节中最小的地址；再结合类型做偏移，完成访问。
虚拟地址空间的内核数据结构
mm_struct 用来描述整个进程的虚拟地址空间。
内部包含若干个 vm_area_struct（VMA，虚拟内存区域），每一个代表一块区域：代码段、数据段、堆、栈。
每个VMA记录：start、end，代表该区域虚拟地址的起止；还有权限、偏移等属性。
虚拟地址空间是连续的；但是对应的物理内存可以是不连续。
Part2. fork 与写时拷贝
Part2.1. fork子进程内部过程
1. 调用fork()，分配内核数据结构，给子进程复制：task_struct、页表、虚拟地址空间。
2. 父进程的数据结构内容拷贝给子进程。
3. 将子进程加入运行队列。
4. fork返回，父子进程分别继续执行。
进程具备独立性：进程内部执行系统调用，都是操作自己这份虚拟内存。
Part2.2. 写时拷贝
fork刚创建子进程的时候：
1. 父子页表指向同一份物理内存，代码段、数据段共享物理页。
2. 但是把这些页的权限设置为只读。
3. 父子此时虚拟地址完全一样，映射到相同物理内存。
Part2.3. 进程修改数据过程
• CPU发现要写的页是只读，触发缺页异常。
• OS识别：这是写时拷贝场景，不是真的权限错误。
• OS分配一份新的物理内存，把原来页的内容复制过去。
• 修改当前进程的页表映射，让当前进程虚拟地址映射到新物理页；另一个进程依旧指向老物理页。
• 恢复页权限为可写，异常处理完毕，程序继续运行。
只有发生写操作，才真正分配物理内存；读操作依旧共享，不会拷贝。
fork 会返回两个id：父进程返回子进程pid，子进程返回0。本质是两个进程各自的页表，同一个虚拟地址读到不同返回值。
Part3. 缺页中断
虚拟地址已经分配，但还没有绑定物理内存，访问时触发缺页中断。
场景举例：我们程序有2G代码，虚拟地址会开辟2G虚拟空间，但是物理内存只有4G。不会一次性把全部代码加载进物理内存。
• 访问还没有映射物理内存的虚拟地址，触发缺页异常。
• 操作系统分配物理页，建立页表映射，把磁盘上对应的数据读到物理内存；异常处理完成，程序重新执行这条指令。
缺页的两种情况
1. 合法缺页：虚拟地址属于某个VMA（vm_area_struct），只是还没有分配物理页，正常分配内存即可。
2. 非法访问：访问的虚拟地址不在任何VMA之内，属于野指针，程序报段错误。
进程和内存解耦：进程的代码、数据，是基于虚拟地址。我们可以不释放虚拟地址，仅仅修改页表映射，解除和物理内存的绑定。不会影响进程运行。
进程退出
进程退出时：根据页表，把物理内存的数据写回磁盘；释放物理内存。
如果有虚拟内存，不需要把全部数据写回磁盘；只需要释放物理内存，虚拟地址本身依旧存在。
Part4. 堆管理与malloc底层
堆由vm_area_struct管理。
malloc(100)完整流程：
1. 在堆区划分虚拟地址，此时还没有物理内存。
2. 用户访问这块内存，触发缺页异常。
3. 操作系统分配物理内存，建立映射。
4. 如果堆空间不足，向OS申请更多虚拟地址。
free不会把虚拟地址还给操作系统。只是标记这块堆空间为空闲，交由malloc内部管理。堆过大才会触发堆回缩，把部分虚拟地址还给OS。
Part5. 虚拟地址的意义
1. 地址隔离保护：每个进程拥有独立虚拟地址空间，进程之间互不干扰。
2. 内存管理：虚拟地址连续，物理内存碎片化也没关系；OS可以把不常用内存置换到磁盘。
3. 权限管控：页表中设置页权限，实现只读、可读可写。访问违反权限直接触发异常。
4. 延迟分配物理内存：只有真正访问的时候，才分配物理内存。fork写时拷贝也是基于这个思想，节省内存。
Part6. 整体总结
1. 虚拟地址空间：逻辑上连续；物理内存可以离散。
2. 页表：完成虚拟地址→物理地址的翻译，同时记录页权限。
3. fork：初期父子共享物理页，标记只读；写时拷贝，发生写操作才复制物理页。
4. 缺页中断：虚拟地址已分配，无物理内存，访问触发异常；OS分配物理内存，加载数据。
5. malloc：先分配虚拟地址，真正访问才分配物理内存；free只做堆内部标记，不一定释放虚拟地址给操作系统。
6. VMA（vm_area_struct）：管理各个段（代码段、数据段、堆、栈）的虚拟地址范围与权限。
Part7. 结语
这篇文章我们认识并知道了Linux虚拟地址空间，接下来，小编还会带来更多Linux相关的知识，敬请期待~
最后，祝大家可以：春风得意马蹄疾，一日看尽长安花！
最后的最后，要是觉得本文还可以的话，可以点点赞，关注小编一波，谢谢大家！~
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